对流传热过程微分方程 分析解法 采用数学分析求解的方法 有指导意义 比拟法 通过研究热量传递与动量传递的共性 建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系 限制多 范围很小 实验法 通过大量实验获得表面传热系数的计算公式 是目前的主要途径 求h的方法 相似原理 同名特征数对应相等 各特征数之间存在着函数关系 如常物性流体外掠平板对流换热特征数 凡同类现象 单值性条件相似 同名已定特征数相等 那么现象必定相似 相似分析法及量纲分析法 平均 层流 局部 层流 局部 湍流 复合边界层 Rec 5 105 定性温度 tm t tw 2 特征流速 来流速度 特征尺寸 流体流动方向长度 局部 平均 hA t t tw t 第六章单相对流传热的实验关联式 6 1相似原理与量纲分析 6 2相似原理的应用 6 3内部强制对流的实验关联式 6 4外部强制对流传热 6 5大空间与有限空间内自然对流传热 6 6射流冲击传热的实验关联式 内部强制对流的实验关联式 判别条件 换热特点 边界层发展特点 公式适用范围 定性温度 特征流速 尺寸 换热条件 一 管内强制对流换热流动和换热的特征 6 3内部强制对流的实验关联式 1 管内的流动状态 流动状态判断 Re 层流过渡流湍流 判别条件 2 流动和换热的入口段及充分发展段 6 3内部强制对流的实验关联式 流动入口段 流动充分发展段 换热入口段 换热充分发展段 换热入口段长度l的确定 层流湍流 换热特点 6 3内部强制对流的实验关联式 3 局部表面传热系数hx的变化 管内对流传热系数局部表面传热系数hx的沿程变化 a 层流 b 湍流 换热特点 6 3内部强制对流的实验关联式 4 常见的两种换热条件 管子表面的换热条件有均匀热流和均匀壁温两种典型的情况 1 均匀热流 壁面和流体温度随管长的变化 换热条件 外掠 hA t t tw t 6 3内部强制对流的实验关联式 2 均匀壁温 壁面和流体温度随管长的变化 当 tw tf tw tf 在0 5 2之间时 可按算术平均温差计算 结果的差别在4 以内 此时 6 3内部强制对流的实验关联式 二 管槽内湍流换热实验关联式 1 迪图斯 贝尔特 Dittus Boelter 关联式 适用的参数范围 气体 t 50 水 t 30 油 t 10 式中取流体平均温度作为定性温度 管子内径d为特征尺度 截面的平均流速作特征速度 6 3内部强制对流的实验关联式 2 迪图斯 贝尔特关联式应用范围的扩展 1 温差超过推荐的幅度值 变物性影响 曲线1 等温流时速度分布曲线2 液体被冷却或气体被加热时速度分布曲线3 液体被加热或气体被冷却时速度分布 1 3 2 6 3内部强制对流的实验关联式 对于液体 主要是粘性随温度变化 对于气体 除了粘性 还有密度和导热系数等 当温差超过推荐的幅度值后 流体热物性将发生变化 从而对换热产生影响 修正 被加热被冷却 气体 被加热被冷却 液体 6 3内部强制对流的实验关联式 2 对于短管 考虑入口效应 对于较短的管子及常见的尖角入口 推荐以下的修正系数 3 非圆形截面通道 式中 Ac对为槽道的流动截面积 P为润湿周长 例1 试计算下列两种情形的当量直径 其中打阴影线的部分表示流体流过的通道 1 2 4 对于弯管的修正 由于管道弯曲改变了流体的流动方向 离心力的作用会在流体内产生如图所示的二次环流 结果增加了扰动 使对流换热得到强化 6 3内部强制对流的实验关联式 气体 液体 R为弯曲管的曲率半径 6 3内部强制对流的实验关联式 修正后的表达式 例2 对圆管内的强制对流换热 实验关联式表示成的形式 试分析流体被加热时 以下情况下对流传热系数h如何变化 1 圆管内流速增加一倍 其他条件不变 2 管径缩小一半 流速等其它条件不变 3 管径缩小一半 体积流量等其他条件不变 可以看出 1 速度u与密度 对h影响最大 均为0 8次方 2 物性的影响 其中 cp的影响均为正 即 cp越大 对流传热系数越大 这也说明了为什么水的对流传热系数比空气大 而粘度的影响是负的 3 h与直径的0 2次方成反比 因此 在条件允许时 尽量采用小直径管来强化换热 3 其它的实验关联式 6 3内部强制对流的实验关联式 1 齐德 泰特 Sieder Tate 关联式 评价 误差大 近似适用于液体被加热的情况 2 格尼林斯基 Gnielinski 公式 评价 较准确 该式也适用于过渡区 6 3内部强制对流的实验关联式 三 管槽内层流换热实验关联式 1 层流充分发展换热的Nu数 对于圆管 tw const qw const 结果见表6 2 6 3 6 4 a 齐德 泰勒 Sieder Tate 关联式 管子处于均匀壁温 适用的参数范围 2 层流入口段换热的Nu数 6 3内部强制对流的实验关联式 6 3内部强制对流的实验关联式 2300 Ref 104 四 管槽内过渡流换热实验关联式 6 3内部强制对流的实验关联式 五 一般解题思路 1 计算定性温度 查物性参数 2 利用雷诺数判断流动状态 3 选用合适的实验关联式 4 计算努赛尔数 进一步得到对流传热系数 5 根据牛顿冷却公式计算出对流换热量 6 校核 是否需要修正 假设是否正确 例3 P254 水流过长l 5m 壁温均匀的直管时 从tf 25 4 被加热到tf 34 6 管子的内径d 20mm 水在管内的流速为2m s 求表面传热系数h u 2m s tf 25 4 tf 34 6 d 20mm 解 1 定性温度 30 水的物性参数 2 判断流动形态 紊流流动 流体加热 n 0 4 3 计算准则 选定公式 4 校核 是否需要修正 a b 是否在范围内 故满足要求 要求tw 先求 例3 空气以2m s的速度在内径为10mm的管内流动 入口处空气的温度为20 管壁温度为120 试确定将空气加热至60 所需管子的长度 u 2m s tf 20 d 10mm tf 60 l tw 120 解 空气的定性温度为tf 20 60 2 40 查出空气的物性参数为 f 19 1 10 6Pa s 1 128kg m3 Pr 0 699 cp 1 005KJ kg 2 76 10 2W m2 K 当tw 120 时 w 22 8 10 6Pa s 1 判断流型 雷诺数 层流 2 选择公式 得 由能量平衡有 l 0 148m 3 校核 l 0 148m 所以公式选择正确 管内强制对流换热采用试算法的情形 及判断迭代过程达到收敛的依据 采用试算法的情形 1 管长l未知 此时可先令cl 1 根据热平衡方程求出管长后再校正 2 流体速度未知 可先假定流速 根据Re选择层流或湍流公式 最后根据热平衡方程对流速进行校正 3 管内壁温未知 可先假定ct 1 然后由热平衡方程确定壁温 最后进行修正 4 管内径未知 处理方法与流速和管长未知情形相似 5 流体出口温度未知 此时先假设流体出口温度 最后用热平衡方程求出出口温度 直到满足热平衡偏差为止 迭代过程收敛的条件为热平衡偏差值小于 5 小结 一 管内强迫对流传热概述 1 管内紊流 Re 104 换热准则关系式 流体被加热时n 0 4 流体被冷却时n 0 3 2 管内层流换热准则关系式 Re 2300 3 管内过渡流 2300 Ref 104 换热准则关系式 短管l d 50的短管修正系数Cl 大温差 气体 被加热被冷却 被加热被冷却 液体 螺旋管或弯管 气体 非圆形截面管道 液体 小结